Weiterentwicklung der Anforderungen an Erzeugungsanlagen: Statische Spannungshaltung

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Chantal Dittmar
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1 Weiterentwicklung der Anforderungen an Erzeugungsanlagen: Statische Spannungshaltung Studie im Auftrag des Forums Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) Forum Netztechnik/ Netzbetrieb (FNN) im VDE BMWi Netzplattform AG Systemsicherheit am

Roadmap zur Weiterentwicklung Verteilnetze: Grundlagen für zukünftige Anforderungen an Erzeugungsanlagen Herausforderung beim Sannungshaltung Umbau der Netze - Lösungsansätze Verhalten im Fehlerfall

2 Roadmap zur Weiterentwicklung Verteilnetze: Grundlagen für zukünftige Anforderungen an Erzeugungsanlagen Herausforderung beim Sannungshaltung Umbau der Netze - Lösungsansätze Verhalten im Fehlerfall Spannungshaltung Inselneterkennung Inselnetzerkennung Verh. Fehlerfall Schwungmassen- zu WR-System Schwungmasse- zu WR-system Kundenanlagen in der NS (4105) Today Q Q Q4 Today 2016 Q2 VDE-AR FNN hat die entscheidenden Themen frühzeitig identifiziert und Studien initiiert Ergebnisse fließen als Grundlage für neue Anforderungen in VDE-Anwendungsregeln ein

3 FNN Studie: Statische Spannungshaltung Ausgangspunkt Status Quo Die Einhaltung des Spannungsbands ist neben der Frequenz das wesentliche Merkmal der Versorgungsqualität Der Beitrag von Erzeugungsanlagen zur Spannungshaltung wird durch die zunehmende Integration von wechselrichtergeführten Analgen immer zentraler VDE-AR-N 4150 fordert bereits die cos φ-steuerung zur statischen Spannungshaltung Frage: Ist die Q(U)-Regelung eine geeignete Vorgabe für die Überarbeitung der VDE-AR-N 4105? Ziel: Wissenschaftliche Grundlage für zukünftige Anforderungen an wechselrichtergeführte Erzeugungsanlagen bezüglich der statischen Spannungshaltung Studie der TU Braunschweig in Zusammenarbeit mit der TU München, RWTH Aachen und der FGH GmbH im Auftrag des FNN Ergebnisse Dezember 2014, Begleitet durch FNN Experten aus allen Fachkreisen Seite 3

Vergleich der Effektivität und Wirtschaftlichkeit der vier Spannungshaltungskonzepte Grundlage Maßnahmen Maßnahmen zur zur Spannungshaltung Spannungshaltung Cos Cos φ φ (P)-Steuerung (P)-Steuerung

4 Vergleich der Effektivität und Wirtschaftlichkeit der vier Spannungshaltungskonzepte Grundlage Maßnahmen Maßnahmen zur zur Spannungshaltung Spannungshaltung Cos Cos φ φ (P)-Steuerung (P)-Steuerung Q(U) Q(U) ront ront konventioneller konventioneller Netzausbau Netzausbau Netztypen Landnetze Dorfnetze Vorstadtnetze Werden Wird jeweils als als normales normale und extremes extreme Netze betrachtet B Bewertungsmaß Integrationspotenzial als Maß für die Effektivität der eingesetzten Regelungsmechanismen Vorgehen Schrittweise Erhöhung der Erzeugungsleistung bis zu einer Grenzwertverletzung der Knotenspannung (Ober- und Untergrenze) Betriebsmittelbelastung (Obergrenze)

5 Vergleich der Effektivität und Wirtschaftlichkeit der vier Spannungshaltungskonzepte Grundlage Maßnahmen Maßnahmen zur zur Spannungshaltung Spannungshaltung cos Cos φ φ (P)-Steuerung (P)-Steuerung und Q(U) Q(U) ront konventioneller Dezentrale wechselrichtergeführte Netzausbau Erzeugungsanlagen können durch Netztypen gezielte Blindleistungsab- bzw. aufnahme zur Spannungshaltung Landnetze Dorfnetze beitragen. Hierfür muss die Anlage und der Wechselrichter so Vorstadtnetze ausgelegt sein, dass sie cos φ (P) oder Q(U) regelfähig ist. Wird jeweils als normales und extr B Bewertungsmaß Integrationspotenzial als Maß für die Effektivität der eingesetzten Regelungsmechanismen Vorgehen Schrittweise Erhöhung der Erzeugungsleistung bis zu einer Grenzwertverletzung der Knotenspannung (Ober- und Untergrenze) Betriebsmittelbelastung (Obergrenze)

6 Vergleich der Effektivität und Wirtschaftlichkeit der vier Spannungshaltungskonzepte Grundlage Maßnahmen Maßnahmen zur zur Spannungshaltung Spannungshaltung Cos Cos φ (P)-Steuerung Q(U) ront konventioneller Netzausbau Netztypen Die cos φ (P) - Steuerung legt hierbei den Wert der Landnetze Blindleistungsabgabe durch einen festen Phasenverschiebungswinkel Dorfnetze Vorstadtnetze φ oder in Abhängigkeit der Leistung fest. Wird jeweils als normales und extr B Bewertungsmaß Integrationspotenzial als Maß für die Effektivität der eingesetzten Regelungsmechanismen Vorgehen Schrittweise Erhöhung der Erzeugungsleistung bis zu einer Grenzwertverletzung der Knotenspannung (Ober- und Untergrenze) Betriebsmittelbelastung (Obergrenze)

7 Vergleich der Effektivität und Wirtschaftlichkeit der vier Spannungshaltungskonzepte Grundlage Maßnahmen Maßnahmen zur zur Spannungshaltung Spannungshaltung Q(U) Cos φ (P)-Steuerung Q(U) ront konventioneller Der Regelansatz Netzausbau Q(U) wirkt in Abhängigkeit der Netzspannung und Netztypen speist somit bedarfsorientiert Blindleistung ein bzw. aus. Allerdings ist Landnetze Dorfnetze für die Q(U)-Regelung eine Parametrierung des Wechselrichters Vorstadtnetze notwendig. Wird jeweils als normales und extr B Bewertungsmaß Integrationspotenzial als Maß für die Effektivität der eingesetzten Regelungsmechanismen Vorgehen Schrittweise Erhöhung der Erzeugungsleistung bis zu einer Grenzwertverletzung der Knotenspannung (Ober- und Untergrenze) Betriebsmittelbelastung (Obergrenze)

8 Vergleich der Effektivität und Wirtschaftlichkeit der vier Spannungshaltungskonzepte Grundlage Maßnahmen Maßnahmen zur zur Spannungshaltung Spannungshaltung ront Cos φ (P)-Steuerung Q(U) ront konventioneller Der regelbare Ortsnetztransformator Netzausbau regelt die Spannung, indem er das Netztypen Übersetzungsverhältnis beim Umspannen verändert. So stellt er auch Landnetze Dorfnetze bei Spannungsschwankungen im Mittelspannungsnetz auf der Vorstadtnetze Niederspannungsseite eine konstante Spannung bereit. Wird jeweils als normales und extr B Bewertungsmaß Integrationspotenzial als Maß für die Effektivität der eingesetzten Regelungsmechanismen Vorgehen Schrittweise Erhöhung der Erzeugungsleistung bis zu einer Grenzwertverletzung der Knotenspannung (Ober- und Untergrenze) Betriebsmittelbelastung (Obergrenze)

9 Ergebnis 1: Blindleistungskonzepte in Energieerzeugungsanlagen steigern die Integrierbarkeit von dezentralen Erzeugungsanlagen (typische Netze, homogene Verteilung) Die Q(U)-Regelung erhöht das Integrationspotential um bis zu knapp 60%. Gegenüber der cos φ (P) - Steuerung kann die Blindenergie mit Q(U) um bis zu 80% vermindert werden. In Dorf- und Landnetzen ist der vermiedene Netzausbau deutlich höher als in Vorstadtnetzen. Schlussfolgerungen Blindleistungskonzepte (cos φ (P), Q(U)) steigern die Integrierbarkeit von EE-Anlagen immer, wenn auch unterschiedlich stark je nach Netz. Sie sind dann auch kostengünstiger als die beiden anderen Maßnahmen, ront und konventioneller Netzausbau

10 Ergebnisse 2: In Landnetzen sind cos(φ) und Q(U) bis zu 4 mal kostengünstiger als der Netzausbau Schlussfolgerungen Mit Q(U) deutlich geringere Blindarbeit als mit cos φ (P). Sehr großer Kostenanteil der Blindarbeit, gerade bei cos φ (P) (bis 80%). Mit ront hoher Wartungskostenanteil

Ermittlung der sicheren Parametrierung für cos(φ) und Q(U) Grundlage Vier verschiedene Wechselrichter von vier verschiedenen Herstellern Bewertungsmaß Vermeidung von sogenannten schwingenden

11 Ermittlung der sicheren Parametrierung für cos(φ) und Q(U) Grundlage Vier verschiedene Wechselrichter von vier verschiedenen Herstellern Bewertungsmaß Vermeidung von sogenannten schwingenden Netzsituationen als Maß für sichere Parametrierung Sichere Parametrierung soll in normalen und extremen Netzen schwingende Netzsituationen vermeiden Vorgehen Vermessung der Wechselrichter bei anregenden Spannungssprüngen im Labornetz Numerische Auswertung der Ergebnisse und Empfehlung zur stabilen Parametrierung Verbundmessungen mit verschiedenen Parametrierungen eines ront

12 Ergebnis 3: Sichere Parametrierung ist möglich Herausforderung: sichere Parametrisierung der Q(U)-Kennlinie zur Verhinderung von Spannungs- oder Leistungsschwingungen und Wechselwirkungen Die Studie hat in Begleitung von FNN Experten aus allen Fachkreisen eine sichere Parametrisierung gefunden, die selbst in extremen Netzen Schwingungen und Wechselwirkungen verhindert Q(U)-Kennlinie: Q 4500 Var Ergebnis: Sichere Parametrierung: Kennliniensteilheit: 11%/V PT1-Zeitkonstante: 5-10s PT1-Verstärkung: 1 1 p.u. 1,04 p.u. U Schlussfolgerungen: Bei richtiger Parametrierung arbeiten die Spannungshaltungskonzepte auch in extremen Netzen stabil! Var Totband p.u. Keine Instabilitäten Keine Schwingungen Keine Wechselwirkungen

13 Überführung der Ergebnisse in Anforderungen Umsetzungsfrist ENTSO-E ENTSO-E Network Codes FNN - Studien Speicher Hinweis TH Blindleistungsman.. Kundenanlage am NS-Netz (AR-N 4105) Today Ergebnisse werden mit allen Fachkreisen diskutiert und unter Berücksichtigung der europäischer Vorgaben in Anforderungen überführt und in VDE-Anwendungsregeln festgeschrieben

Zusammenfassung FNN Studie: Statische Spannungshaltung Je ländlicher das Netz, desto größer die Steigerung des Integrationspotenzials durch Spannungshaltungskonzepte und desto effektiver der ront

14 Zusammenfassung FNN Studie: Statische Spannungshaltung Je ländlicher das Netz, desto größer die Steigerung des Integrationspotenzials durch Spannungshaltungskonzepte und desto effektiver der ront Spannungshaltungskonzepte arbeiten bei empfohlener Parametrierung auch in extremen Netzen sicher und stabil In dichter besiedelten Netzen können Blindleistungskonzepte das gleiche Integrationspotenzial wie ein ront ermöglichen Empfehlung von Q(U) soll als Standardeinstellung für die Überarbeitung der VDE-AR-N 4105 mit definiertem dynamischen Verhalten eingeführt werden. Prüfung der Eigenschaften durch Dritte Seite 14

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit FNN wir entwickeln Netze weiter Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) Bismarckstraße Berlin

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Weiterentwicklung der Anforderungen an Erzeugungsanlagen: Verhalten im Fehlerfall Studie der TU Delft (August 2014) Im Auftrag Forum Netztechnik/Netzbetrieb Jan Suckow Forum Netztechnik/ Netzbetrieb im